I rapidi progressi nella chimica delle batterie, combinati con l'evoluzione delle abitudini di mobilità, stanno sfidando l'approccio tradizionale all'ottimizzazione delle prestazioni della batteria. Qui, il dott. Doron Myersdorf, CEO di StoreDot, pioniere della ricarica rapida estrema, spiega perché i produttori di batterie devono trovare nuovi modi per aumentare la versatilità delle prestazioni delle batterie a livello chimico per supportare una vasta gamma di esigenze dei conducenti e delinea alcune delle implicazioni di nuovi modelli di guida per il più ampio settore dei veicoli elettrici.
Dr. Doron Myersdorf, CEO, StoreDot L'industria dei veicoli elettrici (EV) si sta evolvendo a un ritmo inizialmente rapido, e da nessuna parte questo è più evidente che nel campo dello sviluppo delle batterie. Nuovi approcci radicali alla chimica delle batterie stanno consentendo agli sviluppatori di tecnologia di superare sfide che sarebbero state considerate impossibili anche cinque anni fa, come la capacità di caricare completamente un veicolo elettrico in soli cinque minuti. L'obiettivo di tutto questo duro lavoro? Per ottimizzare l'esperienza di guida dei veicoli elettrici e accelerare la transizione verso la mobilità completamente elettrica, superando il principale ostacolo all'adozione di oggi:l'autonomia e l'ansia di ricarica. Tuttavia, poiché la chimica della batteria stessa continua ad evolversi, sta diventando evidente che anche l'approccio tradizionale del settore all'ottimizzazione delle prestazioni del ciclo di vita deve.
Iniziamo considerando il modo in cui le prestazioni del ciclo di vita della batteria sono state tradizionalmente misurate. Questo si basa su tre parametri chiave:densità di energia, velocità di carica e numero di cicli di carica-scarica. Queste variabili sono strettamente intrecciate, il che significa che se ne ottimizziamo una, le altre si deteriorano. Pertanto, l'ottimizzazione della batteria si basa in gran parte sulla ricerca della migliore combinazione di questi tre parametri. Per molti aspetti, questo è un processo abbastanza prevedibile e significa che se carichiamo una batteria per sei ore, sappiamo che probabilmente fornirà circa 2000 cicli.
Tuttavia, l'arrivo di nuovi prodotti chimici per le batterie, insieme a una crescente sofisticatezza dei sistemi di gestione della batteria e al cambiamento delle abitudini di guida, stanno alterando il gioco. Improvvisamente, le prestazioni della batteria non sono più così deterministiche; invece, può cambiare nel tempo a seconda di come viene guidato e caricato il veicolo. Ciò significa che anche la nostra mentalità deve cambiare. Il fatto è che non possiamo continuare a ottimizzare le prestazioni della batteria nello stesso modo in cui abbiamo fatto in precedenza, come funzione statica. Deve essere correlato al profilo del conducente e deve essere dinamico.
Per gli sviluppatori di tecnologia delle batterie, la necessità di identificare le abitudini dei conducenti di veicoli elettrici del futuro è particolarmente pertinente. Mentre i sistemi di gestione della batteria ci danno la flessibilità di modificare determinati parametri nel tempo se le esigenze di un conducente cambiano, ad esempio se cambia lavoro e improvvisamente ha bisogno di usare la propria auto più frequentemente o per viaggi più lunghi, la chimica della batteria è fissa. Questo è il motivo per cui è così importante garantire che la chimica scelta e il design della batteria siano il più vicino possibile alle esigenze previste del conducente.
Questa consapevolezza ci ha portato a considerare come sarebbe il guidatore di veicoli elettrici del futuro e in che modo questo avrebbe un impatto sulle loro abitudini di guida e di ricarica. In realtà, ci saranno centinaia di profili driver diversi, ma per semplicità concentriamoci solo su tre. In primo luogo, c'è la madre suburbana, che usa la sua auto principalmente per brevi tragitti e carica il suo veicolo durante la notte a casa. All'altro capo dello spettro c'è l'uomo d'affari che effettua regolarmente lunghi viaggi, spesso pernottando negli hotel; per lui o lei è essenziale una ricarica rapida e frequente. Poi c'è l'autista che si colloca da qualche parte tra i due estremi, utilizzando la propria auto sia per viaggi brevi che lunghi e quindi richiedendo sia una ricarica lenta che quella veloce.
Per ognuna di queste storie c'è un'implicazione sulle specifiche della batteria. Quindi, ad esempio, se un conducente si carica sempre velocemente, dobbiamo esaminare come ottimizziamo la chimica in base a quel tipo di comportamento per ottenere il miglior compromesso tra densità di energia e durata del ciclo per quel particolare conducente.
I rapidi progressi nella chimica delle batterie, combinati con l'evoluzione delle abitudini di mobilità, stanno sfidando l'approccio tradizionale all'ottimizzazione delle prestazioni della batteria Ci sono molte considerazioni chimiche ed elettrochimiche che devono essere prese in considerazione per ottimizzare la formulazione e la progettazione della batteria in base alle esigenze del conducente. Ciò include stabilire la combinazione ottimale di grafite, silicio e/o altri metalloidi nell'anodo, determinare il giusto rapporto di carico catodo/anodo e garantire che i limiti di tensione di taglio superiore e inferiore della batteria rimangano entro limiti di sicurezza. Tuttavia, ogni decisione che prendiamo ha delle ramificazioni per altri elementi della chimica e del design della batteria, e quindi tutto questo deve essere preso in considerazione durante la fase di progettazione.
Quando abbiamo sviluppato la nostra tecnologia di ricarica rapida estrema (XFC), una delle sfide principali che abbiamo dovuto superare era gestire l'espansione del silicio durante il processo di ricarica rapida. Abbiamo ottenuto questo risultato utilizzando nanoparticelle che sono combinate in una struttura 3D per fornire spazio alle particelle per espandersi senza avere un impatto drammatico sulla struttura complessiva o sul volume dell'anodo. Quando si progettano batterie adatte a un particolare modello operativo, è necessario determinare non solo la migliore combinazione di materiali per ottimizzare i parametri più importanti per il conducente, ma anche il modo in cui ciascuna combinazione influisce sulla struttura dell'anodo. Quindi, ad esempio, mentre le batterie ottimizzate sia per l'XFC che per la ricarica lenta potrebbero essere dominanti in silicio, solo la batteria XFC richiederà l'uso di nanoparticelle per controllare l'espansione del silicio durante il processo di ricarica rapida.
A complicare ulteriormente le cose, la struttura dell'anodo è influenzata anche dal tipo di elettrolita e additivi elettrolitici utilizzati come parte dello strato SEI mentre gli ioni si spostano dal catodo all'anodo. Poiché la scelta degli additivi dipende dal fatto che una batteria sia ottimizzata per XFC, carica lenta o una via di mezzo tra i due, anche questo deve essere considerato come parte del progetto generale dell'anodo.
La combinazione dei materiali utilizzati nell'anodo influenzerà anche i limiti di tensione di taglio superiore e inferiore della batteria, quindi questa è un'altra variabile che deve essere considerata in fase di progettazione. Allo stesso modo, dobbiamo anche tenere conto di come il modello operativo del veicolo influirà sul rapporto di carico catodo/anodo (rapporto C/A) della cella della batteria. Stabilire il corretto rapporto C/A è fondamentale per garantire che in ogni ciclo di carica e scarica vi sia una reazione completamente reversibile, il che significa che tutto il litio può essere completamente trasferito avanti e indietro tra il catodo e l'anodo. Durante la progettazione della batteria, possiamo aumentare le dimensioni del catodo o dell'anodo di circa il 5% per bilanciare il trasferimento del litio, poiché ogni opzione offre un diverso punto di ottimizzazione. In una batteria ottimizzata per la ricarica rapida, il catodo deve essere leggermente più grande, mentre in una batteria ottimizzata per la ricarica lenta, la dimensione dell'anodo potrebbe essere aumentata.
È importante garantire che la chimica e il design di una batteria per veicoli elettrici siano il più vicino possibile alle esigenze previste del conducente Questi sono solo alcuni dei modi in cui la tecnologia delle batterie può essere adattata per soddisfare meglio le esigenze in evoluzione dei futuri conducenti di veicoli elettrici. Tuttavia, i vantaggi dell'adozione di un approccio più incentrato sul cliente andranno ben oltre il miglioramento delle prestazioni della batteria. Ad esempio, l'acquisizione di dati sulle abitudini di guida su larga scala si rivelerà preziosa per i fornitori di infrastrutture nel determinare il numero e il tipo di punti di ricarica necessari, ad esempio se installare punti di ricarica lenta o veloce in ciascuna posizione specifica.
Ciò richiederà un approccio standardizzato al modo in cui i dati vengono raccolti e diffusi alle parti interessate. Questo processo dovrebbe iniziare al momento dell'acquisto, con il rivenditore che pone una serie di domande come "su una scala da 1 a 10, quanto è importante per te una ricarica rapida?". Un altro approccio potrebbe essere quello di chiedere al cliente il permesso di scaricare il proprio Google Driver Analytics, ottenendo così l'accesso a informazioni essenziali come tempo di percorrenza medio, distanza, velocità di guida e abitudini di ricarica, premendo un pulsante. Il rivenditore potrà quindi aiutare i propri clienti a scegliere non solo il veicolo migliore per il loro stile di vita, ma anche il tipo di batteria ottimale in base alle loro particolari abitudini di guida e ricarica.
Se guardiamo più avanti, possiamo vedere che l'ultima tappa di questo viaggio offrirà batterie completamente personalizzate di serie. Sebbene al momento siamo molto lontani dal raggiungimento di questo obiettivo, è fondamentale che vengano messi a punto i mattoni necessari. È solo mettendo saldamente i conducenti al posto di guida che sbloccheremo con successo la fase successiva dello sviluppo della batteria dei veicoli elettrici.
L'acquisizione di dati sulle abitudini di guida su larga scala si rivelerà preziosa per i fornitori di infrastrutture nel determinare il numero e il tipo di punti di ricarica richiesti 